新型雙并聯(lián)電滲微泵的制備與測試*

沈丹丹，魏坦勇，譚秋林，3*，紀(jì)夏夏，方 明，房家驊，秦 麗

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

新型雙并聯(lián)電滲微泵的制備與測試*

沈丹丹1，2，魏坦勇1，2，譚秋林1，2，3*，紀(jì)夏夏1，2，方 明1，2，房家驊1，2，秦 麗1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

設(shè)計(jì)了一個(gè)雙并聯(lián)電滲驅(qū)動泵，它由三條并聯(lián)的主通道和叉指型電極兩部分組成，其中每條主通道由若干個(gè)與電滲流形成方向成45°角的溝槽并聯(lián)構(gòu)成。通過選用ITO載玻片作為芯片基底并獲得其最佳工藝參數(shù)，制作了帶電極的PDMS-玻璃微流控芯片。最后對制作的電滲微泵進(jìn)行測試，通過記錄一段時(shí)間內(nèi)單個(gè)主通道泵輸送液體的體積，得出單個(gè)主通道的流速與微泵總流速。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在5 V內(nèi)，微泵泵送液體的能力隨著電壓的增加而增大，微泵流速可以達(dá)到正常人體眼球房水生成速度，該結(jié)構(gòu)在未來房水引流器件制作方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

電滲驅(qū)動泵；主通道；叉指電極；PDMS

微泵是微流控系統(tǒng)的重要組成部分，隨著微全分析系統(tǒng)（μ-TAS）的發(fā)展，微泵的應(yīng)用變得越來越廣泛［1］。微泵被分為機(jī)械微泵和無機(jī)械微泵，機(jī)械微泵包括薄膜式、擴(kuò)散式和旋轉(zhuǎn)式等；無機(jī)械微泵包括氣泡式、水電式、電泳式、電滲式和超聲式等。其中電滲泵由于其性能優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于微全分析系統(tǒng)（μ-TAS）中［2-3］。

微泵由于其價(jià)格低廉、高效性、通用性，被廣泛應(yīng)用在微流控芯片裝置中［4］，尤其是基于電滲流的微泵的使用變得越來越廣泛。與其他微型泵相比，電滲泵不具有可移動部件；便于攜帶和保養(yǎng)；在制作過程中容易與其他微流控電路進(jìn)行集成；電滲流流體輪廓呈活塞形狀，而非拋物線形狀，減少了液體的縱向擴(kuò)散；對于驅(qū)動管徑極小的微通道（小于2 μm）仍同驅(qū)動大直徑的微通道效果一樣好［5］。

電滲泵形成電滲驅(qū)動流受很多因素的制約，如：驅(qū)動電壓、通道材料和流體性能等［6］。文章設(shè)計(jì)了一個(gè)高流速的的電滲泵，它由通道（三條主通道并聯(lián)組成，而每條通道由若干個(gè)與形成電滲流方向成45°角的溝槽構(gòu)成）和電極（叉指電極）兩部分組成，通過MEMS工藝進(jìn)行了加工，最后實(shí)現(xiàn)了兩部分的鍵合。最后搭建測試平臺對微泵流速進(jìn)行了測試。

1 雙并聯(lián)電滲泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝制作

1.1 電滲泵的原理

圖1為電滲驅(qū)動原理，常用做微通道的硅、玻璃和高分子聚合物等固體材料和電解液接觸時(shí)，表面發(fā)生水解，在微通道壁面上會產(chǎn)生帶負(fù)電的硅烷醇表面極團(tuán)，壁面電荷通過吸引溶液中帶正電的離子聚集在微通道壁面上，排斥溶液中帶負(fù)電的離子。導(dǎo)致固液界面附近溶液正負(fù)離子數(shù)量之差，形成雙電層（緊密層和擴(kuò)散層）［7］。在微通道兩端外加垂直電場，電荷就會在電場作用下做定向遷移，由于液體具有拖拉效應(yīng)，會帶動周圍液體做定向移動，形成電滲流。

圖1 電滲驅(qū)動原理圖

1.2 雙并聯(lián)電滲泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電滲泵結(jié)構(gòu)中，通常用并聯(lián)窄通道的方法來提高流速［8］。此結(jié)構(gòu)在并聯(lián)窄通道的同時(shí)，在每條通道上并聯(lián)若干個(gè)溝槽，溝槽與x軸方向成45°角。如圖2所示，hc為通道的高，wc為通道的寬，流體通過通道時(shí)在y軸方向形成了一個(gè)橫向流，由于溝槽的存在，流體會向x軸和z軸方向擴(kuò)散，y軸的橫向流與x軸和z軸所形成的液流成比例，所以通過通道的流體成螺旋形狀，使流體流動更為靈活，加快了流體速度。如圖3所示為電滲泵整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，通過并聯(lián)3條通道的方法來提高流速。

圖2 主通道腔體結(jié)構(gòu)

圖3 雙并聯(lián)電滲泵結(jié)構(gòu)示意圖

取矩形微通道內(nèi)某一微元截面（不計(jì)溝槽），其截面積為：dA1=dx dz；故矩形微通道微元截面內(nèi)流量的計(jì)算公式為：dq1=u（x）dA1；所以整個(gè)矩形微通道內(nèi)流量Q1為［9］

其中u（x）為

積分得：

式中，ε、ε0分別為流體與真空介電常數(shù)；ζ為zata電勢；T為絕對溫度；η為粘度系數(shù)；Ex為外加電場強(qiáng)度；dp/dy是沿著y軸（液體流動方向）的壓力梯度；

式中

f（h′）可以看做是一個(gè)修正系數(shù)，取值范圍為0到1。

取若干溝槽中某一微元截面，其截面積為：dA2= dx dz；故單個(gè)溝槽微元截面內(nèi)流量的計(jì)算公式為：dq1=u（x）dA2；所以單個(gè)溝槽微通道內(nèi)流量Q2積分為：

所以單個(gè)微泵的總流量為：

式中，n為溝槽的個(gè)數(shù)，θ=45°。由式（3）和式（6）可以看出，微泵流量隨著驅(qū)動電壓的增加而增大。

當(dāng)單通道電滲泵在無外加負(fù)載的條件下運(yùn)行，即背壓dp1/dy=dp2/dy=0時(shí)，由式（3）、式（6）可得：

所以，單個(gè)通道的最大流量為：

當(dāng)電滲泵輸出流量Q=0時(shí)，即Q1=Q2=0，由式（3）、式（6）可推導(dǎo)出微泵單個(gè)矩形微通道和單個(gè)溝槽的最大背壓為：

單個(gè)通道的最大背壓為：

式中，V為外加驅(qū)動電壓，Ey=V/lc、Ex=V/lg，微泵最大背壓隨著驅(qū)動電壓的增加而增大。

把式（10）、式（13）代入式（7）得，背壓與流量Q之間的線性關(guān)系為：

若泵送液體為去離子水，ε=80 F/m，ε0=8.9×10-12F/m；ζ=0.1 V；η=1×10-3Pa·s；θ=45°；f（h′）=f（h0）=1，把3 V、5 V、7 V、9 V、11 V、13 V、15 V分別代入等式（10），并進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化得到微泵單個(gè)通道最大流速分別為 4.16 μL/min、5.69 μL/min、8.40 μL/min、 11.56 μL/min、15.71 μL/min、22.85 μL/min、32.07 μL/min，則在不同電壓下，整個(gè)微泵的最大流速分別為單個(gè)通道最大流速的3倍（理論值如圖9所示）。

1.3 雙并聯(lián)電滲泵的加工

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的機(jī)械靈活性，生物兼容性和光學(xué)透明性，在微流芯片中的應(yīng)用受到極大關(guān)注［10-11］。2008年，Kim使用光刻技術(shù)在陽模具上進(jìn)行圖形化，之后通過PDMS倒膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PDMS微器件的加工［12］。

微泵電極采用玻璃為基底，ITO為電極材料，ITO導(dǎo)電玻璃是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎(chǔ)上，利用磁控濺射的方法鍍上一層氧化銦錫（ITO）膜加工制成。氧化銦錫是電學(xué)傳導(dǎo)和光學(xué)透明的，可用于抗靜電鍍膜，滿足實(shí)驗(yàn)對電極材料的要求。

微流控芯片腔體和電極的制作工藝流程如圖4所示。PDMS微流腔體的加工過程為：將清洗（依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗各10 min）、氮?dú)獯蹈珊蟮墓杵脛蚰z機(jī)旋涂150 μm的SU-8膠；經(jīng)前烘、曝光（掩膜版a）、后烘后制成的反模如圖4（a）所示；在反模表面再次旋涂30μm的SU-8膠，經(jīng)前烘、曝光（掩膜版b，且與第一次光刻結(jié)構(gòu)十字對準(zhǔn)）、后烘、顯影后制成的陽模具如圖4（c）所示；用道康寧SYLGARD 184硅橡膠雙組分（預(yù)聚物與固化劑按10∶1重量比）混合，靜止抽真空30 min后，進(jìn)行倒模如圖4（d）所示，95℃固化2 h并剝離硅片后得到微流腔體。

圖4 微泵整體工藝流程圖

將基底（ITO玻璃）依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗各10 min，用氮?dú)獯蹈珊笤诨妆砻嬗脛蚰z機(jī)旋涂RZI-304正性光刻膠得到圖4（f），經(jīng)前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕（體積比H2O∶稀HCl∶稀H3NO3=50∶50∶3，55℃水浴60 s）、剝離后制得帶電極基底如圖4（h）所示。最后將帶電極的基底與制得的PDMS腔放入等離子鍵合機(jī)，在氧環(huán)境下處理3 min～5 min后鍵合制得圖4（i）所示腔體微流控芯片。實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 微泵實(shí)物圖

在電滲泵腔體制作過程中，雙層結(jié)構(gòu)應(yīng)兩次光刻后共同顯影，顯影時(shí)間不當(dāng)會導(dǎo)致顯影過渡和顯影不完全現(xiàn)象，圖6為顯影后陽模具上雙層結(jié)構(gòu)在顯微鏡下的圖形，可以看出雙層結(jié)構(gòu)完好，無破損和光刻膠殘留現(xiàn)象；經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)得出，此雙層結(jié)構(gòu)顯影完全的時(shí)間為8 min，更換顯影液后2 min。

加工制得微泵的具體尺寸參數(shù)如表1所示，經(jīng)加工制得雙并聯(lián)電滲泵的整體尺寸約為15 mm×10 mm×4 mm。

圖6 倒模前的主通道

表1 微泵的尺寸參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)測試及分析

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證在不同電壓下電滲泵泵送液體的能力。如圖7為搭建的實(shí)驗(yàn)測試平臺，主要包括：微泵、GPS-2303C直流電壓源、燒杯、量筒、注射器、計(jì)時(shí)器、普通水等。

利用GPS-2303C電壓源為微泵提供3 V直流電壓，每個(gè)注射器分別取5 mL的水，同時(shí)注入微泵的3個(gè)入口，計(jì)時(shí)200 min后，使微泵停止工作，量取每個(gè)燒杯中水的體積。改變驅(qū)動電壓值使其分別為5 V、7 V、9 V、11 V、13 V、15 V，記錄燒杯中水的體積，分別計(jì)算不同驅(qū)動電壓下單個(gè)主通道的流速和該微泵的總流速。

圖7 電滲微泵泵送液體測試平臺

如圖8所示為在不同電壓下，每個(gè)主通道泵送液體的流速值柱狀圖，每個(gè)電壓下三個(gè)微泵流速值之和為微泵總流速，使用Origin將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，圖9表示在不同電壓下微泵總流速的測量值與理論值。

圖8 單個(gè)主通道流速柱狀圖

圖9 微泵在不同電壓下的總流速圖

通過實(shí)驗(yàn)可以得出：單個(gè)主通道之間的泵送液體的能力區(qū)別不大；隨著驅(qū)動電壓的增加，單個(gè)主通道的流速不斷增大；三個(gè)主通道并聯(lián)后組成的泵體的流速相當(dāng)于單個(gè)主通道流速的3倍，且隨電壓的增加而不斷增大，與理論分析相符；微泵總流速與驅(qū)動電壓之間是非線性函數(shù)關(guān)系；在不同電壓下，總流速的測量值與理論值變化趨勢相同，且理論值大于測量值，這是由于流速理論值是在無負(fù)載，且ζ、f（h′）、f（h0）皆取最大值下計(jì)算得來的。與傳統(tǒng)的先并聯(lián)窄通道后串聯(lián)的開通道電滲泵相比，泵送液體能力增強(qiáng)，流體流動更為靈活。若要微泵得到高的流速，可以通過并聯(lián)多個(gè)帶溝槽的單個(gè)微泵與增大驅(qū)動電壓的方法來提高流速。

正常人體眼球中房水生成的速度為2 μL/min［13］，為保持眼球內(nèi)液體動態(tài)平衡和維持眼壓，生成的房水需排出到房水靜脈，在人體可承受最大電壓5 V內(nèi)，該微泵的流速可以滿足房水引流裝置對流速需要，可對未來房水引流器件的實(shí)際應(yīng)用方面產(chǎn)生指導(dǎo)性意義。

3 結(jié)論

電滲泵作為微流控系統(tǒng)的重要組成部分，其不具有可移動部件，便于攜帶和保養(yǎng)，并容易與其他微流控電路集成的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)雙并聯(lián)電滲驅(qū)動泵，它由三條主通道和電極兩部分組成；利用MEMS工藝分別對其進(jìn)行了加工，實(shí)現(xiàn)了腔體與電極的鍵合；制作了帶電極的PDMS—玻璃微流控芯片。最后建立實(shí)驗(yàn)測試平臺，得出該微泵泵送液體的能力隨著驅(qū)動電壓的增加而增大，與理論分析相符，且在直流電壓小于5 V時(shí)，微泵的總流速可以達(dá)到十幾μL/min，證實(shí)該結(jié)構(gòu)的微泵工作性能良好，可以用于眼內(nèi)房水引流裝置。

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沈丹丹（1990-），女，黑龍江嫩江人，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒘骺匦酒?，sdd19900313@ 163.com；

譚秋林（1979-），男，湖南衡南人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中北大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人，中國微米納米技術(shù)學(xué)會高級會員，國際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測技術(shù)、無線無源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲技術(shù)，tanqiulin@nuc.edu.cn。

Fabrication and Testing of New Double Parallel Electroosmotic Micropump*

SHEN Dandan1，2，WEI Tanyong1，2，TAN Qiulin1，2，3*，JI Xiaxia1，2，F(xiàn)ANG Ming1，2，F(xiàn)ANG Jiahua1，2，QIN Li1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，Chin a；3.State Key Laboratory of Transducer Technology，Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

This paper designed a double parallel electroosmotic driven pump which consisted of three parallel main channels and interdigital electrodes.Each channel is formed by a number of parallel grooves which have a 45°angle with the direction of forming electroosmotic fluid.By selecting ITO glass slide as substrate and getting its optimum parameters，the PDMS-glass microfluidic chip containing electrodes was made.Finally，the EOP was tested，by recording the volume of single main channel pumping liquid in a period of time，the flow rate of single main channel and the total micro-pump were obtained.It was found in experiment that within 5 V，the ability of EOP pumping liquid increased with the increase of voltage，and the micro-pump flow rate could reach aqueous humor production rate of normal human eyes.In future，the structure will show potential in applications for aqueous drainage device.

electroosmotic driven pump；main channel；interdigital electrodes；PDMS

TP212

A

1004-1699（2015）08-1131-05

??2307

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.006

項(xiàng)目來源：中國博士后第54批面上項(xiàng)目（2013M540089）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011021-5）

2015-03-27 修改日期：2015-05-26